Die Suche nach einer Verbindung zwischen der klassischen Gravitation und der Quantenmechanik zählt zu den größten Herausforderungen der modernen Physik. Seit über einem Jahrhundert versuchen Wissenschaftler, die widersprüchlichen Grundlagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie und den Gesetzen der Quantenphysik zu vereinen. Während die Allgemeine Relativitätstheorie die Schwerkraft als Krümmung von Raum und Zeit beschreibt, regelt die Quantenmechanik das Verhalten der kleinsten Teilchen im Universum. Beide Theorien funktionieren hervorragend in ihren jeweiligen Bereichen, doch ihre mathematischen Grundlagen passen nicht zusammen. Bis jetzt galt es als unumgänglich, die Gravitation zu quantisieren, um eine einheitliche Theorie zu entwickeln – ein Ansatz, den beispielsweise die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation verfolgen.
Doch eine neue Theorie eines Forscherteams der University College London (UCL) stellt diese Annahme nun infrage und schlägt eine alternative Herangehensweise vor, die den klassischen Charakter der Raumzeit bewahrt und stattdessen die Quantentheorie modifiziert. Professor Jonathan Oppenheim und sein Team präsentierten im Dezember 2023 ihre bahnbrechende Theorie, die den Titel „postquantum theory of classical gravity“ trägt, in zwei gleichzeitig veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten. Im Zentrum steht die Idee, dass Raumzeit nicht quantisiert werden muss – eine Abkehr von den bisherigen Paradigmen. Stattdessen weist die Theorie eine fundamentale Störung in der Vorhersagbarkeit von quantenmechanischen Prozessen auf, die durch Raumzeitfluktuationen verursacht wird. Diese Fluktuationen sind größer als bisher angenommen und führen dazu, dass beispielsweise das Gewicht eines Objekts bei sehr präzisen Messungen unvorhersehbar schwanken kann.
Dieser Effekt wäre ein direkter Hinweis darauf, dass Raumzeit eine klassische, nicht-quantenmechanische Natur besitzt. Diese Vision basiert auf einem neuartigen theoretischen Rahmen, der das Zusammenspiel eines klassischen Systems mit einem quantenmechanischen System beschreibt – ein lange ungelöstes Problem in der Physik. Die bisherigen Versuche, eine konsistente Theorie dieser Dualität zu formulieren, waren entweder unvollständig oder unvereinbar. Das Forschungsteam der UCL hat nun den bisher allgemeinsten konsistenten Satz an Gleichungen gefunden, der beschreibt, wie Quantensysteme mit einer klassischen Raumzeit interagieren können, ohne Widersprüche zu erzeugen. Dies führt automatisch zu einer mathematisch fundierten Erklärung für die unvermeidbaren Zufallsschwankungen der Gravitation.
Die experimentelle Überprüfbarkeit dieser Theorie stellt einen entscheidenden Fortschritt dar. Während frühere Theorien vor allem auf abstrakte mathematische Konzepte und weit entfernte kosmologische Phänomene angewiesen waren, schlägt das UCL-Team konkrete Experimente vor, die mit heutigen oder bald erreichbaren Technologien durchführbar sind. Ein Beispiel dafür ist die hochpräzise Gewichtsmessung eines 1-Kilogramm-Masses – in Frankreich wird ein solches Standardmaß bei der Internationalen Einheitengenossenschaft regelmäßig genutzt. Die Theorie prognostiziert, dass, falls Raumzeit tatsächlich klassisch ist, bei extrem genauen Messungen die Masse scheinbar fluktuieren würde. Ein Fehlen dieser Fluktuationen würde die Theorie widerlegen.
Darüber hinaus schlägt ein weiteres Experiment vor, wie man die Dauer bestimmen könnte, über die schwere Atome in einem Quantenüberlagerungszustand verweilen können. Die Theorie stellt eine direkte Beziehung zwischen der Größe der Raumzeitfluktuationen und der Lebensdauer dieser Quantenzustände her und macht so eine klare Vorhersage, die sich experimentell überprüfen lässt. Diese neue Möglichkeit eröffnet physikalische Erkenntnisse, die die zukünftige Entwicklung der Quanten- und Gravitationsforschung stark beeinflussen könnten. Besonders bemerkenswert ist, dass dieser neue Ansatz nicht nur das Rätsel der Gravitation betrifft, sondern auch fundamentale Fragen der Quantenmechanik berührt. Ein langjähriges Problem der Quantenphysik ist die sogenannte Messpostulat, das beschreibt, wie eine quantenmechanische Überlagerung in ein konkretes Ergebnis kollabiert.
Die neue Theorie zeigt, dass diese Postulat überflüssig wird, da der klassische Charakter der Raumzeit eine natürliche Lokalisierung der Quantenobjekte bewirkt. Somit könnte der Löwenanteil der quantenmechanischen Interpretationsfragen auf diese Weise geklärt werden. Die Motivation für die Entwicklung dieser Theorie liegt auch in ungelösten Problemen der modernen Physik, wie dem Informationsparadoxon schwarzer Löcher. Nach den Standardannahmen der Quantenmechanik kann Information nicht verloren gehen, doch die Allgemeine Relativitätstheorie sagt, dass Objekte, die in ein schwarzes Loch fallen, unwiederbringlich verloren sind. Die neue Theorie erlaubt genau eine solche fundamentale Vorhersageunsicherheit und den möglichen Informationsverlust, wodurch sie diese langwierigen Widersprüche harmonisiert.
Diese bahnbrechenden Erkenntnisse sind das Ergebnis jahrelanger intensiver Forschung am UCL und bauen auf einem reichen Fundament früherer Arbeiten auf. Die Idee, dass die Gravitation klassisch sein könnte, ist nicht neu, doch bisher fehlte eine konsistente und physikalisch plausible Theorie. Mit den neuen Veröffentlichungen wurde erstmals ein konsistentes mathematisches Gerüst geschaffen, das es nun erlaubt, diese Hypothese systematisch zu untersuchen und experimentell zu testen. Die wissenschaftliche Gemeinschaft betrachtet diese Entwicklung mit großem Interesse, denn sie könnte den Weg zu einer Revolution im Verständnis der Grundkräfte ebnen. Auch wenn noch viele Fragen offenbleiben und umfangreiche Experimente notwendig sind, zeigt sich bereits, dass die klassischen Annahmen über Raumzeit und die Grenzen der Quantentheorie neu überdacht werden müssen.
Mit den geplanten experimentellen Tests, etwa zur Messung der Massefluktuationen oder der Überlagerungsdauer von Atomen, steht die Physik an einem spannenden Wendepunkt, der in den kommenden Jahrzehnten die Grundlagenforschung prägen wird. Professor Sougato Bose, ein prominenter Forscher im Bereich der Quantengravitation, unterstreicht die Bedeutung dieser Arbeiten und betont, dass die anstehenden Experimente zwar technisch herausfordernd sind, aber innerhalb realistischer Zeiträume durchgeführt werden könnten. Sollte sich die Theorie bestätigen, wären grundlegende Prinzipien der Physik neu zu schreiben, wovon sowohl theoretische Physiker als auch experimentelle Forscher profitieren würden. Zusammenfassend bringt die neue Postquantum-Theorie der klassischen Gravitation den innovativen Gedanken hervor, dass die Raumzeit zwar weiterhin klassisch bleiben kann, aber die Quantentheorie einer tiefgreifenden Modifikation bedarf. Das Verständnis über die Wechselwirkungen zwischen den mikroskopischen Quantenteilchen und der makroskopischen Raumzeit wird dabei erweitert, was grundlegende Auswirkungen auf unsere Sicht des Universums hat.
Die Chance, durch messbare Phänomene die Natur von Raum, Zeit und Gravitation zu verstehen, macht diese Theorie zu einem Meilenstein im Streben nach einer einheitlichen Physik.
